DE2954402C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

Es ist eine Heizeinrichtung dieser Art bekannt (US-PS 41 02 151), die mit einer Einrichtung zum zeitweisen Abtauen des Ver­ dampfers versehen ist. Diese Einrichtung weist einen Wärme­ speicher auf, der dem Verdichter nachgeschaltet ist. Der Wärmespeicher enthält als Heizmittel eine Flüssigkeit. Durch den Wärmespeicher läuft eine Leitung hindurch, die vom Ver­ dichter kommt und darin das überhitzte Kältemittel führt. Die Flüssig­ keit soll während des Betriebes des Verdichters dadurch erwärmt werden, daß diese durch den Wärmespeicher hindurchströmt. Wenn, vorgegeben durch eine Zeituhr oder in anderer Weise, ein Abtauen des Ver­ dampfers erfolgen soll, so werden einige Elektromagnetventile des Kältekreislaufs geschlossen und Hilfsventile geöffnet, so daß das vom Verdichter kommende Kältemittel unter Umgehung des Kondensators über einen Flüssigkeitssammelbehälter direkt zum Verdampfer geleitet wird und von dort über einen Druck­ regler in eine Wiederverdampfungsschlange strömt, die sich innerhalb des Wärmespeichers befindet. In dieser Wiederverdampfungsschlange verdampft das flüssige Kältemittel, wobei es unter Abkühlung die im Wärmespeicher enthaltene Wärme aufnimmt. Die gesamte Einrichtung ist außerordentlich aufwendig und kompliziert. Während des Abtauzyklus arbeitet der Verdichter in aller Regel weiter, so daß der Verdichter auch in dieser Phase einen relativ hohen Leistungsbedarf hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizein­ richtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art zu schaffen, die bei Vereisung des Verdampfers dessen schnelles Auftauen mit möglichst geringem Energieaufwand ermöglicht und so die Betriebsfähigkeit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Außenluft gewährleistet.

Die Aufgabe ist bei einer Heizeinrichtung der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 definierten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst. Zum raschen Abtauen bzw. Enteisen des Verdampfers wird erfindungsgemäß die Überhitzungswärme des verdichteten Kältemittels im Wärmespeicher gesammelt und mittels des geschlossenen Heizmittelkreislaufs zum Abtauen des Ver­ dampfers genutzt. Da der Verdichter in der Abtauphase abgeschaltet ist, ist der Leistungsbedarf zum Abtauen gering. Dabei wird erreicht, daß die Energie, die zum Enteisen des Verdampfers nötig ist, dem Kältemittelkreislauf selbst entnommen wird, so daß zusätzliche Energiequellen dafür entfallen können. Der erforderliche Energieaufwand zum Enteisen des Verdampfers ist wesentlich niedriger, zumal die über den Heiz-Wärmetauscher dem Kältemittel­ kreislauf entzogene Energie letzterem nach Wiederein­ schalten des für die Enteisungsphase stillgesetzten Ver­ dichters zum Teil wieder zugeführt wird. Das Abtauen er­ folgt mit recht hoher Temperatur und daher innerhalb sehr kurzer Zeit. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Heizmittelkreislauf eine Flüssigkeit enthält. Diese er­ möglicht einen guten Wärmeübergang, wodurch das Ab­ tauen noch beschleunigt wird. Da dieser Heizmittel­ kreislauf nur sehr kurze Rohrleitungsstrecken und sonstige Kreislaufabschnitte benötigt und darin nur eine geringe Masse an Wärmetauschmedium umläuft, sind in sehr kurzer Zeit hohe Abtautemperaturen erreichbar. Dies hat zugleich den Vorteil, daß das Eis in großflächigen Platten von den Verdampferplatten abplatzt, wobei diese großflächigen Platten wegen dieser Form und ihres Gewichts ungehindert durch die Zwischenräume zwischen den Verdampferplatten hindurch nach unten herabfallen können. Damit ist ver­ hindert, daß die abplatzenden Eisstücke in den Zwischen­ räumen hängen bleiben und abgeschmolzen werden müssen, bis sie herunterfallen können, was zusätzlich Zeit und Kosten erfordern würde. Der Energieaufwand zum Abtauen kann dadurch auf etwa ein Zehntel der Energie verringert werden, die bei anderen bis­ her bekannten Verfahren zum Enteisen des Verdampfers er­ forderlich war.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen enthalten die An­ sprüche 2-5. Durch die daraus ersichtlichen Maßnahmen kann der Abtauprozeß vollautomatisch durchgeführt werden, ohne daß eine Überwachung der Heizeinrichtung und ein ge­ sonderter Eingriff in diese notwendig wäre.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Klima­ gerätes als Heizeinrichtung in Gestalt einer Wärmepumpe, mit der der Umgebungsluft Wärme entzogen werden kann.

Das Klimagerät weist in bekannter Weise einen Kältemittelkreis­ lauf 32 mit Verdichter 10, Kondensator 11, Expansionsven­ til 12 und Verdampfer 13 auf. Der Verdampfer 13 ist in ein­ zelne Verdampferflächen 131, 132, 133 aufgeteilt, die im Kältemittelkreislauf 32 einander parallel geschaltet sind. Das im Expansionsventil 12 sich entspannende Kältemittel wird über einen Verteiler 33 auf die einzelnen Verdampferflächen 131-133 auf­ geteilt und im Sammler 14 wieder zusammengeführt. Der Ver­ dichter 10 (auch Kompressor genannt) wird von einem als Induktionsmotor ausgebildeten Elektromotor 15 angetrieben.

Zwischen dem Verdichter 10 und dem Kondensator 11 ist noch ein von dem Kältemittel durchströmter Heiz-Wärmetauscher 19 angeordnet, so daß der gesamte Kältemittelkreislauf 32 aus folgenden Elementen besteht, die in der genannten Reihen­ folge durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind: Ver­ dichter 10, Heiz-Wärmetauscher 19, Kondensator 11, Wärme­ tauscher 18, Expansionsventil 12, Verteiler 33, Verdampfer 13 mit den parallelen Verdampferflächen 131-133 und Sammler 14. Das Kältemittel durchströmt diese Elemente in der genannten Reihenfolge, wie in der Zeichnung durch die Pfeilspitzen angedeutet ist, und wird von dem Sammler 14 wiederum dem Verdichter 10 zugeführt.

Der Heiz-Wärmetauscher 19 steht mit einem Wärmespeicher 20 in Wärmeaustausch, und zwar ist der Heiz-Wärmetau­ scher 19 im Wärmespeicher 20 selbst angeordnet und vom Heizmittel, das ein Wärmeträgeröl, z. B. Glykol, sein kann, unmittelbar umspült. Der Wärmespeicher 20 ist Teil eines geschlossenen Heizmittelkreislaufs 22, in welchem ein weiterer Wärmetauscher 21 angeordnet ist. Der von dem Heiz­ mittel durchströmte weitere Wärmetauscher 21 ist ebenfalls dem Verdampfer 13 zugeordnet, vorzugsweise in diesem inte­ griert, und steht in Wärmeaustausch mit diesem. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der weitere Wärme­ tauscher 21 zwei Wärmetauscherflächen 211 und 212 auf, die zwischen den drei Verdampferflächen 131-133 und parallel zu diesen angeordnet sind. Auf diese Weise können alle Ver­ dampferflächen 131-133 über die Wärmetauscherflächen 211 und 212 mit Wärme beaufschlagt werden. Im Heizmittelkreislauf 22 ist eine Umwälzpumpe 23 und ein Magnetventil 24 ange­ ordnet. Die Ein-/Ausschaltung der Umwälzpumpe 23 und die Ansteuerung des Magnetventils 24 erfolgt über einen Steuer­ schalter 25, über welchen auch gleichzeitig der Elektro­ motor 15 ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Steuer­ schalter 25 ist dabei so ausgebildet, daß bei Einschalten der Umwälzpumpe 23 und bei gleichzeitigem Einschalten des Magnetventils 24 der Elektromotor 15 und damit der Ver­ dichter 10 abgeschaltet wird und umgekehrt. Der Steuer­ schalter 25 wird von einer Druckmeßdose 26, die im Ausström­ bereich der Luft aus dem Verdampfer 13 angeordnet ist, der­ art gesteuert, daß die Umwälzpumpe 23 und das Magnetventil 24 in Abhängigkeit von dem Druck der aus dem Verdampfer 13 ausströmenden Luft ein- bzw. abgeschaltet werden, und zwar derart, daß die normalerweise abgeschaltete Umwälzpumpe 23 und das normalerweise geschlossene, den Heizmittelkreislauf 21 sperrende Magnetventil 24 bei Unterschreiten eines vorge­ gebenen Druckwertes der aus dem Verdampfer 13 ausströmenden Luft einschaltet bzw. öffnet. Es ist auch möglich, den Steuerschalter 25 mit einem Zeitglied zu versehen, das nach Ansteuerung des Steuerschalters 25 durch die Druckmeßdose 26 und damit der Abschaltung des Elektromotors 15, der Ein­ schaltung der Umwälzpumpe 23 und dem Öffnen des Magnet­ ventils 24 die Umsteuerung des Steuerschalters 25 vornimmt, wodurch die Umwälzpumpe 23 wieder abgeschaltet, das Magnet­ ventil 24 wieder geschlossen und der Elektromotor 15 mit Ver­ dichter 10 wieder eingeschaltet wird.

Dem Verdampfer 13 ist noch ein Zusatz-Wärmetauscher 27 zu­ geordnet, der mit diesem in Wärmeaustausch steht und von einer Kühlflüssigkeit für den Elektromotor 15 durchströmt wird.

Der Kondensator 11 ist in einem Flüssigkeitsreservoir, das hier als Wasserbehälter 30 ausgebildet ist, angeordnet und wird unmittelbar von der Flüssigkeit, hier Wasser, umspült. Der Flüssigkeitsbehälter ist an einen Wasserkreislauf 31 angeschlossen. Kaltes Wasser wird dem Wasserbehälter 30 zu­ geführt, von dem Kondensator 11 aufgewärmt und dem Wasserbe­ hälter 30 wieder entnommen. Das aufgewärmte Wasser kann zum Betrieb von Fußbodenheizungen oder als Brauchwasser verwen­ det werden.

Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Klimagerätes als Wärmepumpe ist wie folgt:

Das im Verdichter 10 komprimierte warme Kältemittel gelangt zunächst in den Heiz-Wärmetauscher 19. Wie vorstehend aus­ geführt, sind während des Betriebes des Verdichters 10 die Umwälzpumpe 23 und das Magnetventil 24 im Heizmittelkreis­ lauf 22 abgeschaltet. Das im Wärmespeicher 20 be­ findliche Heizmittel oder Wärmeöl ist nach kurzer Zeit auf die Temperatur des den Verdichter 10 verlassenden Kältemit­ tels aufgeheizt, so daß letzteres an das Heizmittel keine weitere Wärme abgibt. Nach Verlassen des Heiz-Wärmetauschers 19 durchströmt das Kältemittel den Kondensator 11 und gibt einen Großteil seiner Wärmeenergie an das in den Wasserbe­ hälter 30 einströmende Kaltwasser ab. Dadurch wird das Kälte­ mittel beträchtlich abgekühlt und kondensiert. Die Tempera­ tur des aus dem Kondensator 11 austretenden flüssigen Kälte­ mittels beträgt aber immer noch je nach Kondensationstempe­ ratur im Kondensator 11 ca. 35-40°C. Das flüssige Kälte­ mittel durchströmt nunmehr den Wärmetauscher 18 und gibt einen wesentlichen Teil seiner Wärme an die den Wärmetauscher 18 durchströmende Luft ab. Die Luft, die mittels Ventilato­ ren unmittelbar aus der freien Umgebung angesaugt wird und eine der Außentemperatur entsprechende Temperatur aufweist, erwärmt sich.

Die beim Betrieb des Verdichters 10 im Zylinderkopf 29 an­ fallende Überhitzungswärme und die Verlustleistung des In­ duktionsmotors 15 werden von der Kühlflüsigkeit oder dem Kühlöl im Elektromotor 15 und im Zylinderkopf 29 des Verdichters 10 aufgenommen und in dem geschlossenen Kühlkreis­ lauf 28 dem Zusatz-Wärmetauscher 27 zugeführt. Hier gibt die Kühlflüssigkeit einen beträchtlichen Teil ihrer Wärme an die von außen hindurchströmende Luft ab und kühlt sich ent­ sprechend ab.

Die durch den Wärmetauscher 18 und durch den Zusatz-Wärme­ tauscher 27 zusätzlich erwärmte Außenluft durchströmt den Verdampfer 13.

Das im Wärmetauscher 18 weiter abgekühlte Kältemittel wird nummehr dem Expansionsventil 12 zugeführt. Hier wird das Kälte­ mittel entspannt und strömt über den Verteiler 33 in die Verdampfer­ flächen 131-133 des Verdampfers 13 ein. Durch die Expansion wird die Temperatur des bereits durch den Wärmetauscher 18 auf eine sehr niedrige Verdampfungstemperatur abgekühlten Kälte­ mittels weiter beträchtlich abgesenkt. Das Kältemittel ist damit imstande, der den Verdampfer 13 durchströmenden Luft einen beträchtlichen Teil ihrer Wärmeenergie zu entziehen. Das Kältemittel erwärmt sich dabei und strömt als Gas in den Sammler 14. Von hier aus wird es dem Verdichter 10 zu­ geführt, der das gasförmige Kältemittel wieder unter be­ trächtlicher Temperatursteigerung komprimiert. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Bei Abkühlung der feuchten, den Verdampfer 13 durchströmen­ den Außenluft auf Temperaturen unter den Gefrierpunkt be­ steht allerdings die bekannte Gefahr des Vereisens des Ver­ dampfers. Durch die Eisbildung nimmt die Kühlleistung bei zunehmendem Luftwiderstand ab. Sobald der Druck auf der in Luftströmungsrichtung gesehenen Rückseite des Verdampfers 13 unter einen bestimmten Druckwert absinkt, gibt die Druck­ meßdose 26 ein entsprechendes Steuersignal an den Steuer­ schalter 25. Dieser schaltet den Elektromotor 15 aus, erregt das Magnetventil 24, so daß dieses aus seiner in der Zeichnung dargestellten Schließstellung in seine Offenstellung übergeht, und schaltet die Umwälzpumpe 23 ein. Damit wird Heizmittel aus dem Wärmespeicher 20 in den weiteren Wärmetauscher 21 gepumpt und durchströmt hier die Wärmetauscherflächen 211 und 212, um dann in den Wärmespeicher zurückzukehren. Das Heizmittel hat die gleiche Temperatur wie das aus dem Verdichter ausströmende komprimierte gasförmige Kältemittel, etwa 60-70°C. Mit Abtauen der Verdampferflächen 131-133 verringert sich der Luftwiderstand des Verdampfers 13 und der Luftdruck im Kaltluftbereich, also an der Rückseite des Verdampfers 13, nimmt wieder zu. Damit wird wiederum ein Signal von der Druck­ meßdose 26 an den Steuerschalter 25 gegeben. Dieser schaltet die Umwälzpumpe 23 ab, unterbricht die Stromzuführung zu dem Magnetventil 24, so daß dieses abfällt und seine in der Zeich­ nung dargestellte Schließstellung einnimmt, und schaltet den Elektromotor 15 wieder ein. Die Abschaltung der Umwälzpumpe 23, des Magnetventils 24 und die Einschaltung des Elektro­ motors 15 kann auch mittels eines Zeitgliedes erfolgen, das mit Ansteuern des Steuerschalters 25 durch die Druckmeßdose 26 eingeschaltet wird. Sobald der Verdichter 10 anläuft, setzt der vorstehend beschriebene Kältemittelkreislauf 32 wieder ein, wobei zugleich die Temperatur des Heizmittels im Wärmespeicher 20 auf die Temperatur des aus dem Ver­ dichter 10 ausströmenden komprimierten Kältemittels aufge­ heizt wird.

Der Energieaufwand zum stetigen Eisfreihalten des Verdampfers 13 ist wesentlich geringer als bei bekannten Klimageräten, zumal diese Energie aus dem von dem Kältemittel selbst auf­ geheizten Heizmittelreservoir entnommen wird und nach Ar­ beitsbeginn des Verdichters 10 dem Kältemittel wieder zuge­ führt wird. Der hierfür erforderliche Energieaufwand be­ trägt nur etwa ¹/₁₀ des Energieaufwands bei bekannten Klima- bzw. Kühlgeräten.

Das vorstehend beschriebene Klimagerät kann nicht nur als Wärmepumpe sondern auch als Kühlgerät verwendet werden.

Hierbei kann entweder die den Verdampfer verlassende abge­ kühlte Luft direkt in einen zu kühlenden Raum eingeblasen werden oder aber einem weiteren Wärmetauscher zugeführt werden, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen der gekühlten Luft und einem Kühlgut stattfindet.

Das vorstehend beschriebene Klimagerät zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und große Wirtschaftlichkeit aus. Es kann selbst in unseren geographischen Breiten in Winter­ tagen als Wärmepumpe mit guter Effizienz betrieben werden. Dabei ist es möglich, sogar der Außenluft, deren Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt, noch Wärme zu entziehen und diese für Heizzwecke nutzbar zu machen. Allerdings ist es notwendig, im Winterbetrieb bei niedrigen Außentemperaturen den Elektromotor 15 in der höchsten Drehzahlstufe zu betreiben, um somit das Fördervolumen des Verdichters 10 zu steigern. Das Klimagerät benötigt keine zusätzlichen Energiequellen z. B. zum Abtauen des Verdampfers 13. Lediglich zur Steige­ rung der Effizienz des Klimagerätes müssen besonders ange­ triebene Ventilatoren vorgesehen werden, um genügend große Luftmengen der Außenluft durch den Verdampfer 13 mit den Wärmetauschern 18 und 27 zu blasen. Das Klimagerät läuft vollautomatisch und bedarf keiner Überwachung und Wartung.

Claims (5)

1. Heizeinrichtung mit einem Kältemittelkreislauf (32), in dem ein Verdichter (10), ein von einem zu erwärmenden Heizmedium umspülter Kondensator (11), ein Expansionsventil (12) und ein mit Luft beaufschlagter Verdampfer (13) angeordnet sind, und mit einer Einrichtung zum zeitweisen Abtauen des Ver­ dampfers (13), die einen dem Verdichter (10) nachgeschalteten, ein Heizmittel enthaltenden Wärmespeicher (20) aufweist, durch den eine vom Verdichter (10) kommende, das Kältemittel führende Leitung des Kältemittelkreislaufs (32) hindurch­ läuft, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verdampfer (13) ein Wärmetauscher (21) integriert ist, der mit dem Wärmespeicher (20) über einen geschlossenen Heiz­ mittelkreislauf (22) verbunden ist, in dem das Heizmittel geführt ist, daß die durch den Wärmespeicher (20) hindurch­ führende Leitung als vom Heizmittel innerhalb des Wärme­ speichers (20) unmittelbar umspülter Heiz-Wärmetauscher (19) ausgebildet ist und daß im geschlossenen Heizmittelkreislauf (22) eine Umwälzpumpe (23) und ein Steuerventil (24) ange­ ordnet sind, die zeitweise für den Umlauf des Heizmittels bei abgeschaltetem Verdichter (10) eingeschaltet und bei ein­ geschaltetem Verdichter (10) abgeschaltet sind.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (24) und/oder die Umwälzpumpe (23) in Abhängigkeit von dem Druck der aus dem Verdampfer (13) ausströmenden Luft angesteuert sind und daß das normalerweise geschlossene, den Heizmittelkreislauf (22) sperrende Steuerventil (24) bzw. die abgeschaltete Umwälzpumpe (23) bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckwertes öffnet bzw. eingeschaltet wird.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen Steuerschalter (25), der beim Öffnen des Steuerventils (24) bzw. Einschalten der Umwälzpumpe (23) den Verdichter (10) abschaltet und umgekehrt.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Ausströmbereich der Luft aus dem Verdampfer (13) eine den Steuerschalter (25) beaufschlagende Druckmeßdose (26) angeordnet ist und daß der Steuerschalter (25) mit dem Verdichter (10), dem Steuerventil (24) und der Umwälzpumpe (23) ver­ bunden ist.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmittel ein Wärmeträgeröl, vorzugsweise Glykol, od. dgl. ist.